[工学]化工流体流动第二节 热传导
《化工原理》授课计划
《化工原理》授课计划一、课程简介《化工原理》是一门重要的专业课程，旨在培养学生掌握化工过程中涉及的基本原理、方法和技术。
本课程涵盖了流体流动、传热、蒸发、过滤等多方面内容，对于化工、生物、环境等领域的应用具有重要意义。
本课程共有32学时，包括实验和课程设计。
授课对象为大学二年级学生。
二、教学目标1. 掌握化工原理的基本概念、原理和方法；2. 学会运用化工原理解决实际工程问题；3. 培养工程意识和创新思维。
三、教学内容与安排第一章流体流动基础第一节流体性质与流体静压强第二节流体流动现象与规律第三节流体流量测量与计算方法第四节流体在管内的流动阻力第五节流体输送设备的选择与计算教学安排：4学时（理论）+ 2学时（实验）第二章传热原理与应用第一节传热基本概念与方式第二节热传导与对流传热第三节热辐射与间壁式换热器第四节热量传递速率计算与设备选择教学安排：6学时（理论）+ 2学时（讨论）第三章蒸发原理与技术第一节蒸发基本原理第二节蒸发设备与选择第三节蒸发过程计算与优化教学安排：4学时（理论）+ 2学时（实验）第四章过滤与分离原理第一节过滤基本原理与过程描述第二节过滤设备与选择第三节过滤过程计算与优化教学安排：3学时（理论）+ 实验+2学时（实践）和指导/答疑时间（x 小时）为其他三部分安排适当的课外活动或实践指导时间。
2个课时建议每周一次或组织相关活动以保持学生的积极性和参与度。
此外，建议在课程结束前一周进行一次总结性的复习和答疑，以便学生更好地理解和掌握课程内容。
在实验部分，应注重安全教育，确保学生正确使用实验设备和器材，并确保实验过程的安全。
在实践环节，应提供必要的指导，帮助学生解决实际问题，并鼓励他们提出自己的见解和创新思路。
同时，应注重课程的考核方式，包括平时作业、实验报告、课堂表现和期末考试等多个方面，以全面评估学生的学习效果和实际应用能力。
最后，为了提高教学效果，建议采用多媒体教学、案例分析、小组讨论等多种教学方式，以激发学生的学习兴趣和积极性，促进他们的主动学习和思考。
第二节两流体间的对流传热doc
传热1．学习目的通过本章学习，掌握传热的基本原理、传热的规律，并运用这些原理和规律去分析和计算传热过程的有关问题，诸如：（1）热传导速率方程及其应用。
（2）换热器的能量衡算，总传热速率方程和总传热系数的计算。
（3）对流传热系数关联式。
（4）辐射传热的基本概念和相关定律，掌握两物体间辐射传热的速率方程。
2．本知识点的重点（1）单层、多层平壁热传导速率方程，单层、多层圆筒壁热传导速率方程及其应用。
（2）换热器的能量衡算，总传热速率方程和总传热系数的计算，用平均温度差法进行传热计算。
（3）对流传热系数的影响因素及因次分析法。
3．本章应掌握的内容（1）传热的基本方式。
（2）间壁式换热器。
（3）对流传热系数机理。
（4）用传热单元数法进行传热计算。
（5）换热器的结构型式和强化途径。
（6）两固体间的辐射传热速率方程及其应用。
4．本章一般了解的内容（1）保温层临界直径。
（2）传热单元数法及应用场合。
（3）对流－辐射联合传热。
（4）一般传热设计的规范、相关计算和设备选型要考虑的问题。
5．本章学习中应注意的问题（1）边界层概念。
（2）传热单元数法。
（3）因次分析法。
（4）辐射传热的基本概念和定律，影响辐射传热速率的影响因素。
6 .应掌握的英文词汇Heat transfer and its applicationsBasic law of conductionSteady-state conductionUnsteady-state conductionPrinciples of heat flow in fluidsTypical heat-exchange equipmentEnergy balancesHeat flux and heat –transfer coefficientsHeat transfer to fluids without phase changeBoundary layerHeat transfer by forced convection in laminar flowHeat transfer by forced convection in turbulent flowHeat transfer in transition region between laminar and turbulent flowHeat transfer to liquid metalsHeating and cooling of fluids in forced convection outside tubesNatural convectionHeat transfer to fluids with phase changeHeat transfer from condensing vaporsHeat transfer to boiling liquidsRadiation heat transferEmission of radiationAbsorption of radiation by opaque solidsRadiation between surfacesRadiation to semitransparent materialsCombined heat transfer by conduction-convection and radiationHeat-exchange equipmentShell-and –tube heat exchangersPlate-type exchangersExtended-surface equipmentScraped-surface exchangersCondensers and vaporizersHeat transfer in agitated vesselsHeat transfer in packed beds概述:化学工业与传热过程密切相关，因为化工生产中的很多过程和单元操作，都需要加热、冷却和保温。
流体流动与传热_ 传热_热传导_
0.08W/（m·K），已知饱和蒸汽温度为180℃，并测得保温层中央即厚度为50mm处的温度为90℃，
试求（1）由于热损失每米管长的蒸汽冷凝量为多少？ （2）保温层的外侧温度为多少？
解:（1）对定态传热过程，单位管长的热损失Q/L 沿半径方向不变，故可根据靠近管壁
−
令 =
Τ
−
−
于是 =
=
当
< 时，可用算术平均代替
− 推动力
对照平壁： ==
=
热阻
−
=
Τ
1.单层圆筒壁导热
例2 为减少热损失，在外径150mm的饱和蒸汽管外覆盖厚度为100mm的保温层，保温材料的热导率为
.
− − .
保温砖 =
=
= W/m2
.
1＝10.83cm
t3=201.6 ℃
2＝11.64cm
1.单层圆筒壁导热
无限长单层圆筒壁一维稳态导热（无内热源）
分析：①取控制体
②作热量衡算定态：Q进=Q出
③结合特征方程求解析解
一维稳定grad =
1.傅立叶定律
◼ 傅里叶定律（Flourier’s law ）表达式
热流密度与温度梯度成正比
=
= −
q：热通量，单位传热面积的传热速率，W/m2
“-”表示热通量q与温度梯度方向相反
法国著名数学家、物理学家
λ：导热系数(热导率)，表征物质导热能力的大小，物性，单位 W/m·℃=W/m·K
化工传递过程讲义
《化工传递过程》讲稿【讲稿】第一章 传递过程概论（4学时）传递现象是自然界和工程技术中普遍存在的现象。
传递过程：物理量（动量、热量、质量）朝平衡转移的过程即为传递过程。
平衡状态：物系内具有强度性质的物理量如速度、温度、组分浓度等不存在梯度。
*动量、热量、质量传递三者有许多相似之处。
*传递过程的研究,常采用衡算方法。
第一节 流体流动导论流体：气体和液体的统称。
微元体:任意微小体积。
流体质点：当考察的微元体积增加至相对于分子的几何尺寸足够大，而相对于容器尺寸充分小的某一特征尺寸时，便可不计分子随机运动进出此特征体积分子数变化所导致的质量变化，此一特征体积中所有流体分子的集合称为流体质点。
可将流体视为有无数质点所组成的连续介质一、静止流体的特性（一）流体的密度流体的密度：单位体积流体所具有的质量。
对于均质流体 对于不均质流体点密度dVdM d =ρ *流体的点密度是空间的连续函数。
*流体的密度随温度和压力变化。
流体的比体积：单位流体质量的体积。
MV =υ （二）可压缩流体与不可压缩流体可压缩流体：密度随空间位置和时间变化的流体，称为可压缩流体。
(气体)不可压缩流体：密度不随空间位置和时间变化的流体，称为不可压缩流体。
(液体)（三）流体的压力流体的压力（压强，静压力）：垂直作用于流体单位面积上的力。
A P p =（四）流体平衡微分方程1.质量力(重力)单位流体质量所受到的质量力用B f 表示。
在直角坐标z y x ,, 三个轴上的投影分量分别以 X ﹑Y ﹑Z 表示。
B F V M =ρ2.表面力:表面力是流体微元的表面与其临近流体作用所产生的力用Fs 表示。
在静止流体中，所受外力为重力和静压力，这两种力互相平衡，利用平衡条件可导出流体平衡微分方程。
916:16化工传递过程基础黄山学院化学系首先分析x 方向的作用力，其质量力为由静压力产生的表面力为XdxdydzdF Bx ρ=dydz dx x p p pdydz dF sx ⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+-=12(五)流体静压力学方程流体静压力学方程可由流体平衡微分方程导出。
化工原理传热
化工原理传热传热是化工工程中非常重要的一个环节，它涉及到许多工艺过程和设备的设计与操作。
在化工生产中，传热过程不仅影响着产品质量和生产效率，还直接关系到能源的利用效率和环境保护。
因此，对于化工原理传热的深入理解和掌握，对于化工工程师来说至关重要。
传热的基本原理包括传热方式、传热系数、传热表达式等。
传热方式主要包括传导、对流和辐射三种方式。
传导是指热量通过物质内部的传递，对流是指热量通过流体的对流传递，而辐射是指热量通过电磁波的辐射传递。
传热系数是描述传热效果的物理量，它与传热介质的性质、流体状态、流体性质等因素有关。
传热表达式则是用来描述传热过程的数学表达式，可以通过传热方程和传热系数来进行计算和分析。
在化工生产中，传热过程通常涉及到换热器、蒸发器、冷凝器等设备。
换热器是用来实现不同流体之间热量交换的设备，它包括了许多种类，如壳管式换热器、板式换热器等。
蒸发器是将液态物质转化为气态物质的设备，它在化工生产中应用广泛。
而冷凝器则是将气态物质转化为液态物质的设备，也是化工生产不可或缺的一部分。
在传热过程中，热传导、对流传热和辐射传热是相互作用的。
热传导是传热过程中最基本的方式，它在许多设备和工艺中都有重要的应用。
对流传热则是流体在传热过程中的一种重要方式，它受到流体的流动状态、速度、流体性质等因素的影响。
而辐射传热则是在高温条件下的一种重要传热方式，它在许多高温工艺和设备中都有重要的应用。
总的来说，化工原理传热是化工工程师必须要深入了解和掌握的一个重要内容。
通过对传热的基本原理、传热设备和传热过程的深入研究，可以更好地指导化工生产实践，提高生产效率，降低能源消耗，保护环境，实现可持续发展。
希望本文能为化工工程师提供一些有益的参考和帮助。
化工原理流体流动
化工原理流体流动
化工原理中的流体流动是一个重要的研究领域，它涉及到各种物质在化工过程中的传输、混合、分离等关键过程。
在化工流体流动中，流体的性质和流动行为对化工过程的效率和产品质量具有重要影响。
在流体流动的研究中，我们通常会涉及到不同的流动模式，如层流、湍流等。
层流是指流体在管道中以规则的、层次分明的方式流动，其粘滞作用较强，流速均匀。
湍流则是一种不规则的、紊乱的流动方式，其粘滞作用较弱，流速不均匀。
在化工过程中，通常会通过控制流体的流动模式来达到更好的传输效果。
另外，在化工流体流动中，物质的输送也是一个重要的问题。
液体在管道中的流动主要通过压力差和重力来实现，而气体的流动则主要受到压力差和浓度差的影响。
我们可以通过调节管道的形状和尺寸，以及控制流体的流速和粘度来实现物质的有效输送。
此外，在化工过程中，流体的混合和分离也是一个重要的问题。
混合是指将不同的物质进行均匀混合，以达到一定的反应效果或产品质量。
分离则是将混合物中的不同组分分离出来，以达到对应的目的。
在化工过程中，我们通常会使用各种设备和技术来实现流体的混合和分离，如搅拌器、离心机等。
总之，化工原理中的流体流动是一个复杂而重要的研究领域。
通过深入了解流体的性质和流动行为，我们可以更好地控制化
工过程中的传输、混合和分离等关键环节，以提高生产效率和产品质量。
第二节 热传导
第二节热传导一、有关热传导的基本概念只要物体内部有温度差存在，就有热量从高温部分向低温部分传导。
所以研究热传导必须涉及物体内部的温度分布。
1.温度场和等温面温度场：某一瞬间空间中各点的温度分布，称为温度场。
等温面：温度场中同一时刻相同温度各点组成的面称为等温面。
因为空间同一点不能同时具有两个不同的温度，所以不同的等温面彼此不能相交。
2.温度梯度温度梯度是一个点的概念。
温度梯度是一个向量。
方向垂直4tl>二、导热系数1.固体的导热系数九在数值上等于单位温度梯度下的热通量。
九是分子微观运动的宏观表现。
常用的固体导热系数见表4-1。
在所有固体中，金属是最好的导热体。
纯金属的导热系数一般随温度升高而降低。
而金属的纯度对导热系数影响很大，如含碳为1%的普通碳钢的导热系数为45W/m・K,不锈钢的导热系数仅为16W/m・K。
2.液体的导热系数液体分成金属液体和非液体两类,前者导热系数较高,后者较低。
在非金属液体中,水的导热系数最大,除去水和甘油外,绝大多数液体的导热系数随温度升高而略有减小。
一般来说,溶液的导热系数低于纯液体的导热系数。
表4-2和图4-6列出了几种液体的导热系数值。
表4-2液体的导热系数液体温度，°C导热系数，久W/m*K 醋酸50% 20 0.353.气体的导热系数气体的导热系数随温度升高而增大。
在通常的压力范围内，其导热系数随压力变化很小气体的导热系数很小，故对导热不利，但对保温有利。
常见的几种气体的导热系数值见表4-3。
表4-3气体的导热系数三、对流传热1．对流传热的基本概念对流传热是在流体流动进程中发生的热量传递现象，它是依靠流体质点的移动进行热量传递的，帮与流体的流动情况密切相关。
工业上遇到的对流传热，常指间壁式换热器中两侧流体与固体壁面之间的热交换，变化即流体将热量传给固体壁面或者由壁面将热量传给流体的过程称之为对流传热（或称对流给热、放热）。
在第一章流体流动中已指出，流体产生流动的原因可以是流体以外力(如泵、鼓风机等)作用下而造成的强制对流，亦可是由流体内部的温度差而引起流体的密度差产生的自然对流。
第二章传热过程
从右表数据可 以看出，金属的值 最大，气体的值最 小，一些保温材料 值之所以很小，就 是因为保温材料内 有很大部分空间是 空气的缘故。
物质 导热系数 λ [W/m·K]
金属 建筑材料
5 0.5～2
绝热材料
0.01～0.4
水
0.6
其他液体 气体
0.09～0.7 0.007～0.17
物料的导热系数 值还随温度而变化。但金属和液
液体混合物的导热系数，可按质量加和法进行估算：
n
m Kixi i1
(2 4)
式中：m、i － 混合液和各组分的导热系数 [W/m·K]；
xi － 各组分的质量分数；
K － 常数，对一般混合物或溶液为1.0，对有机物的水 溶液为0.9。
气体混合物的导热系数，可按摩尔加和法估算：
λm
i
n
1
化工生产中，间壁式传热设备用得最多。这类设 备通常称作热交换器或换热器。在所有化工厂设备中 换热器约占设置重量的40％左右，因此必须对传热机 理、传热过程的影响因素、传热过程的强化或抑止、 换热设备的传热面积计算，以及主要几种热交换器的 基本结构和性能有所了解。
补充：
传热过程
稳态传热：在传热进行时，物体各点温度不随时 间而变、仅随位置变化的传热过程。
补充：
▪ 发生导热时，物体各部分之间不发生宏观相对位移。 ▪ 对于气体，导热是由于气体分子做无规则热运动、
相互碰撞而引起； ▪ 对于固体，导电体的导热是由自由电子的运动而引
起；而非导电体则通过晶格的振动来传递热量。 ▪ 对于液体，可以认为介于气体和固体之间。
在一个均匀（各部分化学组
成、物理状态相同）的物体内 （图2-1），热量以传导方式沿 着方向n通过物体。取热流方向 的微分长度为dn ，在d 瞬间内 的热传量为 dQ。
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对n层圆筒壁，其热传导速率方程可表示为
Q
t1 tn+1 n bi
S i1 i mi
或
Q n
t1 tn1 1 ln ri1
i1 2πLi ri
思考题
1.导热系数和傅立叶定律的物理意义； 2.接触热阻的概念及其对热传导的影响； 3.多层平壁和圆筒壁导热的计算。
290页1，2，3
b1
b2
b3
t1
t1
t2
Qb1
1 S
t2
t2
t3
Qb2
2 S
t3
t3
t4
Qb3
3 S
图4-9 三层平壁热传导
2.多层平壁的热传导
t1
t1
t2
Qb1
1 S
t2
t2
t3
Qb2
2 S
t3
t3
t4
Qb3
3 S
Q t1 t2 t3
纯金属导热系数一般随温度升高而降低； 金属的导热系数大多随着其纯度的增加而增大； 非金属随着密度增加而增大，随着温度升高而增大。
4.2.2 导热系数
1.固体的导热系数
对大多数均质固体，导热系数与温度近似 呈线性关系
0 1't
α ′为常数，又称温度系数，1/℃。对大多数金 属材料， α ′为负值;对大多数非金属材料， α ′为正值。
t1 t4
b1 b2 b3
b1 b2 b3
1S 2 S 3 S 1S 2 S 3 S
Q t1 tn1 t
n bi
i1 i S
R
4.2 热传导
4.2.1 基本概念和傅立叶定律 4.2.2 导热系数 4.2.3 平壁的热传导 4.2.4 圆筒壁的热传导
一般来说，金属的导热系数最大，非金属固体次 之，液体较小，气体最小。
4.2.2 导热系数
气体 液体 非导电固体 金属 绝热材料
导热系数[W/(m·oC)] 0.006～0.06 0.07～0.7 0.2～3.0 15～420 <0.25
与组成、温度和密度等因素有关
4.2.2 导热系数
1. 固体的导热系数
2.多层平壁的热传导
接触热阻
因两个接触面间有空穴，而空 穴内又充满空气，因此，传热过程 包括通过实际接触面的热传导和通 过空穴的热传导(高温时还有辐射 传热)。一般来说，因气体的导热 系数很小，接触热阻主要由空穴造成。
2.多层平壁的热传导
接触热阻
接触热阻与接触面材料、表面 粗糙度及接触面上压强等因素 有关，主要依靠实验测定。
定态温度场:Biblioteka t f x，y，z
定态一维温度场： t f x
1. 温度场和温度梯度
（2）等温面
定义：温度场中同一时刻下相同温度各点所组成的 面积。
特点：
a 温度不同的等温面彼此不相交； b 沿等温面无热量传递; c 沿和等温面相交的任何方向上，温度随距离
的变化程度以沿与等温面的垂直方向为最大。
4.2.2 导热系数
2.液体的导热系数
液态金属导热系数比一般液体的要高；
大多数液态金属的导热系数随温度升高而降低；
非液态金属，除水和甘油外，液体的导热系数随 温度升高而减小； 纯液体的导热系数比其溶液的要大。
4.2.2 导热系数
2.液体的导热系数
有机化合物水溶液的导热系数的估算式为
m 0.9 aii
有机化合物的互溶混合液的导热系数的估算式为
m aii
4.2.2 导热系数
3.气体的导热系数 气体的导热系数随温度升高而增大。
在相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强 变化甚微。在过高或过低的压强下，考虑压强的影 响，此时随压强增高导热系数增大。
常压下混合气体的导热系数计算式为
m
垂直于壁面的 x 方
向变化；
（4）平壁面积与厚度相比 很大，可以忽略边缘处的热损失。
1. 单层平壁的热传导
x 0，t t1；
x
b，t
t
；
2
且t1 t2
Q S dt
dx
Q
b
St1
t2
Q t1 t2 t
bR
S
q Q t Sb
t R
间壁式换热和间壁式换热器
图4-3 间壁两侧流体间传热
4.1 概述 4.2 热传导
第 4 章 传热
4.2 热传导
4.2.1 基本概念和傅立叶定律
1. 温度场和温度梯度
1. 温度场和温度梯度
（1）温度场
定义：任一瞬间物体或系统内各点的温度分布总和。
温度场的数学表达式:
t f x，y，z，
化工计算中，经常采用两量的对数平均值。当 两个物理量的比值等于2时，算术平均值与对数平 均值相比，计算误差仅为4%，这是工程计算允许 的。因此当两个变量的比值小于或等于2时，经常 用算术平均值代替对数平均值，使计算较为简便。
2.多层圆筒壁的热传导
假设层与层之 间接触良好，即互 相接触的两表面温 度相同。
2.多层圆筒壁的热传导
热传导速率可表示为
Q 2L t1 t2
ln r2 r1
Q
t1 t4
t1 t4
1 ln r2 1 ln r3 1 ln r4 r2 r1 r3 r2 r4 r3
2πL1 r1 2πL2 r2 2πl3 r3 1Sm1 2Sm2 3Sm3
其中
Sm
2π
r2 ln(r2
r1 r1 )
L
2πrm L
圆筒壁的 对数平均
面积
圆筒壁的对 数平均半径
1.单层圆筒壁的热传导
Sm
2π
r2 ln(r2
r1 r1 )
L
2πrm L
Sm
2πLr2 2πLr1 ln 2πLr2
S2 S1 ln S2
2πLr1
S1
1.单层圆筒壁的热传导
2.多层平壁的热传导
假设： (1)导热系数不随温 度变化，或可取 平均值； (2)一维稳态； (3)忽略热损失； (4)没有接触热阻。
图4-9 三层平壁热传导
2.多层平壁的热传导
定态导热时，通过各层的导热速率必相等
Q 1St1 t2 2 St2 t3 3St3 t4
1. 单层平壁的热传导
Q t1 t2 t
bR
S
q
Q S
t b
t R
传递过程的普遍关系式及热阻
过程传递速率
过程的推动力 过程的阻力
由热阻可判断界面温度和温度差。
1. 单层平壁的热传导
平均导热系数
两侧面导热系数的算术平均值，或两侧面温度 之算术平均值之下的导热系数。
导热系数为常数时，平壁内温度分布为常数； 导热系数为温度的函数时，平壁内温度分布为曲线。
4.2.3 平壁的热传导
1. 单层平壁的热传导 2.多层平壁的热传导
2.多层平壁的热传导
图4-9 三层平壁热传导
2.多层平壁的热传导
接触热阻 由于表面粗糙不平，不同材料
构成的界面之间可能出现明显的温 度降低而产生接触热阻。
4.2.4 圆筒壁的热传导
1.单层圆筒壁的热传导
1.单层圆筒壁的热传导
传热速率 传热面积 热通量
平壁 圆筒壁
常量 常量
常量 随半径变
常量 随半径变
1.单层圆筒壁的热传导
Q 2π L t1 t2
ln(r2 r1)
可写成与单层平壁热传导速 率方程相类似的形式
Q
Sm
t1 r2
t2 r1
表示通过等温面的导热速率与温度梯度及传热 面积成正比。
傅立叶定律与牛顿定律相类似，导热系数 是
粒子微观运动特性的表现。
4.2 热传导
4.2.1 基本概念和傅立叶定律 4.2.2 导热系数
4.2.2 导热系数
定义式：
dQ dS t
n
导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热通量；
导热系数表征物质导热能力的大小，是物质的物理 性质之一；
习题
(3)温度梯度 温度梯度为向量，它的正方向是指向温度增加的
方向；通常将温度梯度的标量也称为温度梯度。
定态的一维温度场：
gradt dt dx
4.2.1 基本概念和傅立叶定律
1. 温度场和温度梯度 2.傅立叶定律
2. 傅立叶定律
定义式： dQ dS t n dQ dS t
n
i
yi
M1 i
3
yi
M
1
i
3
4.2 热传导
4.2.1 基本概念和傅立叶定律 4.2.2 导热系数 4.2.3 平壁的热传导
4.2.3 平壁的热传导
1. 单层平壁的热传导
假设：
（1）平壁材料均匀； （2）导热系数不随
温度而变；
4.2.3 平壁的热传导
1. 单层平壁的热传导
假设：
（3）平壁内的温度仅沿
1. 温度场和温度梯度
(3)温度梯度
定义： 通常，将温度为t t 与t两相邻等温面
之 间 的 温 度 差t， 与 两 面 之 间 的 垂 直 距离 n之 比 值 的 极 限 称 为 温 度梯 度 。